山區(qū)公路高填土涵洞設(shè)計(jì)與加固要點(diǎn)分析

吳淀杭

（浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310000）

1 山區(qū)高填土涵洞裂縫概述

造成山區(qū)涵洞出現(xiàn)裂縫的原因較多，主要原因有：設(shè)計(jì)方案中的涵洞結(jié)構(gòu)形式與工程地質(zhì)條件不符、結(jié)構(gòu)尺寸偏小、結(jié)構(gòu)配筋不足、涵洞基礎(chǔ)荷載設(shè)計(jì)值不合理、沉降縫設(shè)置不合理等。施工階段有地基處理不當(dāng)、臺(tái)背回填工序錯(cuò)誤和壓實(shí)不夠等。高填土涵洞相對(duì)于低填土涵洞，其承受的土壓力大、對(duì)地基沉降要求更高。

2 山區(qū)公路高填土涵洞設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 重視涵洞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)山區(qū)公路高填土涵洞進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合涵洞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定設(shè)計(jì)方案?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，涵洞臺(tái)背填土、換填設(shè)計(jì)、土拱效應(yīng)控制都會(huì)改變涵洞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，使設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)主體產(chǎn)生改變。

1）高填土涵洞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，臺(tái)背填土?xí)纬韶?fù)摩阻力，使地基應(yīng)力改變。設(shè)計(jì)人員應(yīng)按照地基壓應(yīng)力值設(shè)計(jì)要求，分析涵洞填土高度不同時(shí)的地基形式、預(yù)拱度[1]。

2）山區(qū)涵洞在山坳低洼處的地基本身的承載力較弱，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)通過換填的方式增強(qiáng)涵洞基礎(chǔ)區(qū)域地基承載能力。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員可將抗侵蝕、穩(wěn)定、強(qiáng)度高的材料換填至地基中，改變涵洞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的大變形模量、抗壓強(qiáng)度。

3）涵洞填土高度大于16 m時(shí)，高填土涵洞上方會(huì)形成土拱，產(chǎn)生土拱效應(yīng)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分利用土拱效應(yīng)中填土高度與涵洞頂部壓力的非線性變化來計(jì)算涵洞頂部土壓力，優(yōu)化高填土涵洞結(jié)構(gòu)尺寸，從而減少工程造價(jià)。

2.2 明確基礎(chǔ)換填處理要求

山區(qū)中的地質(zhì)一般為沉積土，基礎(chǔ)土層相對(duì)軟弱，高涵洞地基承載力低。修正高涵洞地基承載力的難度大，所以，可以通過換填地基土層的方式，使基礎(chǔ)層承載力符合高涵洞荷載能力、穩(wěn)定性的控制要求?；A(chǔ)換填是近年來提高高填土涵洞地基承載力的常用手段，主要原理是將抗侵蝕、高強(qiáng)度、穩(wěn)定性好的材料換填到涵洞基礎(chǔ)下的軟弱層內(nèi)，然后通過分層壓實(shí)，提高基礎(chǔ)層的密實(shí)度，使其滿足涵洞承載要求。但基礎(chǔ)換填層范圍需要控制在0.5～3.0 m，可采用的換填材料包括砂石、碎石、素土、灰土等。為保證換填后土層的壓實(shí)效果，還應(yīng)控制好墊層內(nèi)的含水量，以及換填后的碾壓次數(shù)。

2.3 合理選擇高填土涵洞結(jié)構(gòu)形式

目前，山區(qū)高填土涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，箱形涵洞和拱形涵洞較為常見。設(shè)計(jì)人員可基于山區(qū)地形條件，評(píng)估涵洞橫向、豎向荷載，確定涵洞頂部填土高度。實(shí)踐證明，相同孔徑下，拱形涵洞的結(jié)構(gòu)承載力大于箱形涵洞。根據(jù)此涵洞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以設(shè)定10 m以下填土高度以箱形涵洞較為適用，反之，10 m以上填土高度以拱形涵洞較為適用。相較于其他加固方案，箱形結(jié)構(gòu)可作為涵洞中的剛構(gòu)支撐構(gòu)件進(jìn)行加固，能夠與涵洞原結(jié)構(gòu)成為整體，有利于增強(qiáng)涵洞穩(wěn)定性，降低涵洞內(nèi)裂縫、結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)確保加固后的涵洞結(jié)構(gòu)符合山區(qū)高填土涵洞行車、過水的基本要求。

同時(shí)考慮到山區(qū)公路工程的施工便捷性，高填土涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多以箱形涵洞為主。箱形涵洞的結(jié)構(gòu)呈箱形，可應(yīng)用鋼筋混凝土現(xiàn)澆成整體結(jié)構(gòu)，由底板、側(cè)墻、頂板、沉降縫、洞口擋塊、八字墻等組成。涵身一般為鋼筋混凝土構(gòu)成的閉合式框架結(jié)構(gòu)，橫截面為長方形、正方形。翼墻和涵洞洞身連成整體，運(yùn)用八字式翼墻時(shí)，還應(yīng)提前在洞身、翼墻的間隙布設(shè)沉降縫。涵洞洞身底由混凝土、砂礫墊層組成，沉降縫需要貫穿涵身整個(gè)斷面，方向和涵身軸線相互。高填土箱形涵洞的涵身同樣需要設(shè)置1道沉降縫，涵身長度大于20 m時(shí)，還應(yīng)按照項(xiàng)目的實(shí)際情況，每6 m設(shè)置1道沉降縫。

2.4 加強(qiáng)地基荷載設(shè)計(jì)值的控制

設(shè)計(jì)山區(qū)公路高填土涵洞時(shí)，地基荷載設(shè)計(jì)值同樣會(huì)使涵洞結(jié)構(gòu)變形值改變，所以，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)加強(qiáng)地基荷載設(shè)計(jì)值的控制。對(duì)于山區(qū)高填土涵洞區(qū)域的軟弱下臥層，其承載力驗(yàn)算一般可通過平均基底壓力求解下頂面的壓力，確定該區(qū)域的偏心荷載。具體來說，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合高填土涵洞的特點(diǎn)明確其變形控制要求，然后以此為依據(jù)計(jì)算地基荷載設(shè)計(jì)值、地基承載力。通常情況下，高填土涵洞荷載具體包括土壓力、填土自重，汽車活載效應(yīng)較小。對(duì)于山區(qū)一級(jí)公路荷載，可結(jié)合涵洞填土厚度將涵洞活載換算為等代均布土層厚度，具體見表1。

表1 高填土涵洞填土高度及其活載情況

由表1可知，填土高度超過10 m后，涵洞活載變化值浮動(dòng)較小，所以，計(jì)算涵洞地基荷載設(shè)計(jì)值時(shí)，設(shè)計(jì)人員僅需考慮土壓力、填土自重即可[2]。按照山區(qū)公路橋涵設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范可知，分離式、整體式橋涵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地基承載力都應(yīng)大于350 kPa。

3 山區(qū)公路高填土涵洞加固設(shè)計(jì)方案比選

3.1 箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌加固方案

1）采用箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌加固方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)詳細(xì)驗(yàn)算箱形結(jié)構(gòu)的最大覆土高度、填土高度等設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)在不計(jì)沖擊效應(yīng)的情況下，根據(jù)箱形結(jié)構(gòu)的受力情況計(jì)算其沖擊系數(shù)，分別驗(yàn)算加固設(shè)計(jì)中箱形結(jié)構(gòu)的截面抗彎、裂縫寬度、抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)的可靠性。

2）基于箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌加固設(shè)計(jì)方案，山區(qū)公路橋梁的常見荷載組合較為特殊，應(yīng)重視內(nèi)嵌加固結(jié)構(gòu)在承載極限狀態(tài)、正常使用狀態(tài)下的荷載要求。同時(shí)驗(yàn)算內(nèi)嵌加固時(shí)，涵洞正截面抗彎驗(yàn)算要求，并根據(jù)主筋類型、截面抗彎要求，估算箱形結(jié)構(gòu)正面抗彎承載力所需的配筋量。

3.2 增加截面加固方案

3.2.1 加固設(shè)計(jì)原理

增大截面加固方案可有效提高涵洞截面的承載力，使其抗拉、抗壓、抗彎性能符合加固設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)人員可結(jié)合山區(qū)高填土涵洞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、涵洞結(jié)構(gòu)中裂縫類型加固處理高填土涵洞。但在通過增大截面法滿足高填土涵洞加固要求時(shí)，新澆混凝土級(jí)別應(yīng)高于原有結(jié)構(gòu)，且混凝土標(biāo)號(hào)應(yīng)不小于C30[3]。

加固過程中，各截面所用的受力鋼筋直徑應(yīng)在12～25 mm，構(gòu)造鋼筋直徑應(yīng)在10～8 mm。焊接原有受力結(jié)構(gòu)、新增縱向受力鋼筋時(shí)，短筋直徑應(yīng)大于12 mm，短筋間距應(yīng)小于500 mm。截面兩側(cè)同時(shí)加固處理時(shí)，還應(yīng)用U形箍筋連接新增結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)。在此過程中，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算高填土涵洞加固時(shí)，受彎、裂縫區(qū)域結(jié)構(gòu)的抗裂性、承載力，同時(shí)根據(jù)疊合區(qū)域的構(gòu)件受力特征，加固混凝土結(jié)構(gòu)，使其承載力小于整澆結(jié)構(gòu)。在上述橋梁工程中，截面加固方案的關(guān)鍵在于增加腹板厚度，加設(shè)后涵洞梁結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度分別提升27%、25%。

3.2.2 加固效果分析

增加截面加固方案在山區(qū)高填土涵洞工程中的應(yīng)用，可減少加固設(shè)計(jì)對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響，更靈活地改變涵洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力情況，處理涵洞裂縫風(fēng)險(xiǎn)，使其穩(wěn)固性、安全性符合山區(qū)公路橋梁工程運(yùn)行要求。但是對(duì)于不同的高填土涵洞工程，增加截面加固設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)會(huì)有明顯的差異性，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)根據(jù)涵洞工程的實(shí)際情況制訂增加截面加固方案。

3.3 托梁拔柱加固方案

3.3.1 加固設(shè)計(jì)原理

山區(qū)高填土涵洞加固設(shè)計(jì)中，托梁拔柱是在不拆除涵洞上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將涵洞下部結(jié)構(gòu)拆除，以此通過調(diào)整涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式加固處理高填土涵洞。采用托梁拔柱加固設(shè)計(jì)方案時(shí)，相關(guān)人員可用頂升設(shè)施將涵洞上部結(jié)構(gòu)頂升，并搭設(shè)臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，然后拆除涵洞裂縫區(qū)域的襯砌結(jié)構(gòu)。在此過程中，為避免出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)塌落，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)在加固設(shè)計(jì)中嚴(yán)格控制拆除長度，同時(shí)在處理完臺(tái)身裂縫后，通過現(xiàn)澆混凝土層的方式，對(duì)涵洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。

設(shè)計(jì)人員在加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)提前確定下部結(jié)構(gòu)的拆除長度和拆除范圍，同時(shí)設(shè)計(jì)裂縫區(qū)域加固處理時(shí)的混凝土配比，以及混凝土強(qiáng)度等級(jí)、主筋分布情況、布筋型號(hào)。對(duì)于跨河橋梁工程，其涵洞加固設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮涵洞的排洪功能，重點(diǎn)改變基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、涵洞豎墻的受力狀態(tài)。

3.3.2 加固設(shè)計(jì)方案

1）山區(qū)高填土涵洞加固過程中，涵洞加固結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、豎墻結(jié)構(gòu)、蓋板結(jié)構(gòu)。蓋板厚度應(yīng)不小于85 cm、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)厚度不小于68 cm、豎墻高度不小于5 m，各結(jié)構(gòu)的凈高、凈寬分別為5 m、6 m。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員可建立3D設(shè)計(jì)模型，整體計(jì)算各結(jié)構(gòu)的裂縫加固效果、配筋率。

2）根據(jù)模型中加固前的設(shè)計(jì)荷載，計(jì)算填土高度大于3 m時(shí)產(chǎn)生的荷載，確定高填土涵洞設(shè)計(jì)參數(shù)。荷載參考值包括豎墻承受壓力、涵洞蓋板壓力、活載壓力、自重壓力，以及活載產(chǎn)生的水平及豎向壓力等。之后，設(shè)計(jì)人員在增厚豎墻、蓋板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)模擬涵洞下部結(jié)構(gòu)中豎墻與蓋板的連接設(shè)計(jì)，分析加固效果。

3）通過分析托梁拔柱加固設(shè)計(jì)效果可知，利用此種加固方案，原結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)值明顯增加，同時(shí)有利于優(yōu)化涵洞截面受力，控制截面彎矩，減少加固設(shè)計(jì)對(duì)涵洞原有抗洪功能的影響。設(shè)計(jì)人員可基于該加固方案，更科學(xué)地控制涵洞墻體、蓋板結(jié)構(gòu)中的配筋率，保障涵洞整體結(jié)構(gòu)的安全性。

4 結(jié)語

在山區(qū)公路后期運(yùn)營過程中高填土涵洞出現(xiàn)裂縫后應(yīng)及時(shí)有效加固處理，設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入分析增大截面、托梁拔柱、箱梁內(nèi)嵌等加固方案的基本優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合山區(qū)地質(zhì)條件、橋身裂縫成因等實(shí)際情況選擇更適用的加固設(shè)計(jì)方案。